Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛЯ РАДОНА В СВЯЗИ С ТЕКТОНИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ

Сухоруков М.В. 1 Спивак А.А. 2
1 ФГБУН «Институт динамики геосфер РАН» (ИДГ РАН)
2 ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт» (МФТИ)
В работе представлены результаты анализа пространственно-временных рядов объемной активности радона 222Rn (ОА), в том числе синхронных временных рядов на разных глубинах, в районах измерений с тектоническими структурами разного ранга. Районы с тектоническими структурами разного ранга характеризуются, как правило, активными геодинамическими процессами с разной интенсивностью, что может отражаться на устойчивости техногенных сооружений. Установлено, что средние значения и вариации ОА 222Rn определяются расположением источников радона, серединных участков тектонических структур и монотонно увеличиваются с глубиной. Установлено, что временные вариации на разных глубинах синхронны, что говорит о значительном вкладе в процесс переноса фильтрации и нелинейной диффузии. Предложена модель выноса на поверхность радона 222Rn, в которой коэффициент диффузии радона зависит от глубины, а скорость фильтрации постоянна.
радон
дегазация Земли
картирование тектонических структур
тектонический разлом
тектоническое нарушение
миграция подземных газов
1. Адушкин В.В., Спивак А.А., Локтев Д.Н., Соловьев С.П., Харламов В.А. Инструментальные наблюдения за геофизическими полями Тункинской рифтовой зоны. Межгеосферные взаимодействия. Материалы семинара-совещания в ИДГ РАН 26–27 сентября 2011 г. – Москва: ГЕОС, 2011. – С. 27–42.
2. Адушкин В.В., Спивак А.А., Кишкина С.Б., Локтев  Д.Н., Соловьев С.П. Динамические процессы в системе взаимодействующих геосфер на границе «земная кора-атмосфера» // Физика Земли. – 2006. – № 7. – С. 34–51.
3. Новиков Г.Ф., Капков Ю.Н. Радиоактивные методы разведки. – Ленинград: Недра, 1965. – 759 с.
4. Сейсмические приборы. – 2015. – Т. 51. № 4. – С. 58–80.
5. Спивак А.А., Сухоруков М.В., Харламов В.А. Эманация природного радона на приповерхностных участках. Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер. Сборник научных трудов ИДГ РАН. – Москва: ГЕОС, 2007. – С. 40–47.
6. Спивак А.А., Кожухов С.А., Сухоруков М.В., Харламов В.А. Эманация радона как индикатор интенсивности межгеосферных взаимодействий на границе «земная кора-атмосфера» // Физика Земли. – 2009. – № 2. – С. 34–48.
7. Спивак А.А., Сухоруков М.В., Харламов В.А. Особенности эманации радона 222 Rn с глубиной // Доклады Академии Наук. – 2008. – Том 420. № 6. – С. 1–4.
8. Фирстов П.П., Макаров Е.О. Реакция подпочвенного и растворенного в подземных водах радона на изменение напряженно-деформированного состояния земной коры // Сейсмичнские приборы. – 2015. Т. 51, № 4. – С. 58–80.
9. Уткин В.И., Юрков А.К. Радон как индикатор геодинамических процессов // Геология и геофизика. – 2010. – Т. 51. № 2. – С. 277–286.

Районы с тектоническими структурами разного ранга характеризуются, как правило, активными геодинамическими процессами с разной интенсивностью, что может отражаться на устойчивости техногенных сооружений. Хорошим индикатором геодинамических процессов является исследование почвенного радона 222Rn [8, 9].

Профильные измерения объемной активности радона 222Rn (ОА) проводились в период 2004–2010 гг. в нескольких регионах России, характеризующихся разной геодинамической активностью, и выполнялись методом отбора проб один раз в час с помощью автоматизированных радиометров радона РРА-03, РРА-04, РГА-01А с глубины 0,8 м, вариации температуры на которой за время измерения пренебрежимо малы. Пункты регистрации были стационарные и оперативные, располагались как в зонах влияния нарушений сплошности земной коры, так и на серединных участках структурных блоков.

В пределах Московской синеклизы измерения осуществлялись на южной окраине Пачелмского авлакогена (район Нелидово Рязанской тектонической структуры) [2, 4] и северной окраине Подмосковного авлакогена (район Ногинской тектонической структуры) [5]. В зонах влияния более активных на современном этапе структур также проводились измерения: в Прибайкалье на участках Тункинской ветви рифтовых впадин Байкальской рифтовой зоны [1] и на Алтае (пункты оперативной регистрации располагались вдоль профилей, пересекающих Курайскую и Чуйскую тектонические структуры) [5].

Пункты оперативной регистрации, в которых проводились длительные измерения, выбирались на серединных участках тектонических нарушений (соответствуют максимумам объемной активности вдоль профилей, пересекающих тектонические нарушения).

Результаты исследований и их обсуждение

Во всех пунктах регистрировались устойчивые вариации ОА со временем с периодом около суток и 14 дней. Зоны влияния тектонических структур проявились повышенными значениями ОА: на серединных участках тектонических структур до 6 раз (чаще всего в 2–3 раза) по отношению к близлежащим серединным участкам структурных блоков (рис. 1).

suh1.tif

Рис. 1. Пространственные вариации ОА вдоль трех субмеридианных профилей, пересекающих Ногинскую тектоническую структуру (положение срединного участка отмечается наибольшей аномалией): средняя долгота: (1) – 38,30 E; (2) – 38,40 E; (3) – 38,50E

Аномалии ОА могут быть привязаны не только к участкам разломных зон, но и к близкому залеганию источников радона. Для повышения надежности определения разлома изучают в исследуемом районе вариации ОА, вызванные активной геодинамикой. Эти вариации удобно характеризовать величиной suh01.wmf, относительным коэффициентом приращения ОА в измеряемом пункте, здесь Rmax и Rmin – максимальные и минимальные суточные значения ОА за вычетом влияния атмосферного давления (рис. 2). Тектонические структуры проявляют себя также повышенными колебаниями (вариациями) ОА. Аномалия ОА, отмеченная на рисунке цифрой 1, соответствует местоположению срединной линии Ногинской тектонической структуры. Аномалия ОА, отмеченная на рисунке цифрой 2, указывает на нахождение здесь источника радона с большей интенсивностью, так как вариации ОА сильно не проявляются.

suh2.tif

Рис. 2. Вверху – пространственные вариации ОА, внизу – относительный коэффициент приращения ОА вдоль субмеридианного профиля 1(38,30E), пересекающего Ногинскую тектоническую структуру

Экспериментальное изучение и построение теоретической модели изменения поля радона со временем на разных глубинах необходимо для выяснения механизма миграции радона к поверхности в изучаемом районе, поиска закономерностей его вариаций.

В изучаемом районе (рис. 3) приповерхностных источников радона практически не наблюдается. Источниками радона в основном являются отложения бобриковской свиты визейского яруса нижнего карбона, которые выявляются в глинах, серых песках, прослойках бурых углей, залегающих на глубинах около 200 м.

1) значения ОА радона 222Rn в подпочвенной атмосфере увеличиваются с глубиной;

2) временные вариации ОА подпочвенного радона 222Rn близки к синхронным. Выявлены периодичности с циклами 0,5, 1 и 4 суток путем сравнения усредненных за время измерения спектров вариаций ОА с нахождением максимумов (рис. 5). С помощью метода вейвлет-анализа по импульсным вейвлет-функциям Daubechies 5-го порядка получены периодичности 1, 4, 14 суток во временных рядах. Амплитуда колебаний с периодичностью 1 сутки увеличивается в середине и в конце исследуемого временного интервала.

suh3.tif

Рис. 3. Схема проведения измерений в зоне влияния Ногинской тектонической структуры в период с 21.05.2007 г. по 18.06.2007 г. на глубинах 0,8, 5,5, 9 и 11,5 м методом отбора проб воздуха в стабильных метеорологических условиях

По результатам эксперимента выяснено [7] (рис. 4).

suh4.tif

Рис. 4. ОА подпочвенного радона R на различных глубинах: (1) – 0,8 м, (2) – 5,5 м, (3) – 9 м, (4) – 11,5 м

suh5.tif

Рис. 5. Спектральная плотность мощности временных вариаций объёмной активности подпочвенного радона на различных глубинах: (1) – 0,8 м, (2) – 5,5 м, (3) – 9 м, (4) – 11,5 м

3) изменение средних значений ОА радона с глубиной отличается от теоретической зависимости [3] (коэффициент диффузии = const, источник – на глубине) знаком второй производной (рис. 6).

С учетом того, что в изучаемом районе источники радона располагаются на глубине, то вынос радона на поверхность описывается уравнением нелинейной диффузии (D является функцией глубины) с конвективной составляющей (фильтрационное течение) от сосредоточенного источника на некоторой глубине.

Сформулирована и решена стационарная нелинейная задача по переносу радона в атмосферу в среде от сосредоточенного источника на некоторой глубине. Коэффициент диффузии радона зависит от глубины, скорость конвекции постоянна. Неизвестной функцией является ОА радона Nп в зависимости от глубины, причем вторая производная этой функции предполагается меньше нуля. Считается известным параметр suh02.wmf – отношение ОА радона на поверхности к ОА на глубине (граничное условие).

Решение уравнение можно представить в виде

suh03.wmf, (α)

при этом зависимость коэффициента диффузии от глубины

suh04.wmf

a = – z0νη, suh05.wmf

где t ≤ 0 и t ≥ 1, С – постоянная, Nп – активность эманации 222Rn радона (Бк/см3); λ = 3·10-6 (c-1) – постоянная распада 222Rn; η – пористость; ν – скорость конвективного переноса в грунте (см/c); z0 = 200 м – глубина источников радона.

suh6.tif

Рис. 6. Средние значения ОА подпочвенного радона за время измерения с глубиной; 1 – эксперимент; 2 – модель (пористость – 0,05), коэффициентом диффузии 1,17 мкм2/c, граничные условия – ОА на поверхности равна нулю

suh7.wmf

Рис. 7. Экспериментальные точки и аппроксимирующие функции вида suh09.wmf;

(1) a1 = – 1533 Бк/м3; t = 41,00; b1 = 2265 Бк/м3;(2) a1 = – 2411 Бк/м3; t = 13.86; b1 = 3287 Бк/м3; (3) a1 = – 4082 Бк/м3; t = 6,70; b1 = 5000 Бк/м3;(4) a1 = – 5569 Бк/м3; t = 4,62; b1 = 6500 Бк/м3; (5) a1 = – 7062 Бк/м3; t = 3.52; b1 = 8000 Бк/м3; (6) a1 = – 9056 Бк/м3; t = 2,67; b1 = 10000 Бк/м3; (7) a1 = – 14050 Бк/м3; t = 1,67; b1 = 15000 Бк/м; (8) a1 = – 19050 Бк/м3; t = 1,21; b1 = 20000 Бк/м3; (9) a1 = – 22540 Бк/м3; t = 1; b1 = 23500 Бк/м3

Проведено сравнение теоретической модели с экспериментальными данными. В качестве основы для сопоставления выбрана модель от сосредоточенного источника на некоторой глубине с нелинейной диффузией и конвекцией (в районе проведения измерений отсутствуют значительные источники радона вплоть до глубины 200 метров). По экспериментальным точкам осуществлялась аппроксимация зависимостью вида

suh06.wmf, (β)

которая переходит в ранее полученную зависимость (α) при suh07.wmf, suh08.wmf.

С помощью нелинейного метода наименьших квадратов подбирались коэффициенты. Ввиду того, что уравнение (β) – линейное, а постоянных коэффициентов три, то для определения коэффициентов задавались их минимальные и максимальные значения. Получена серия зависимостей N от z с наиболее вероятными значениями a1, b1 и t.

Таким образом, экспериментальным данным и выпуклости кривой, построенной по экспериментальным точкам, удовлетворяет довольно широкий диапазон значений как объемной активности на глубине расположения источников (до 23500 Бк/м3) – N∞, так и t – степени изменения объемной активности с глубиной (от 1 до 41).

Выводы

Установлено, что средние значения и вариации ОА 222Rn определяются расположением источников радона и серединных участков тектонических структур и монотонно увеличиваются с глубиной. Доказано, что временные вариации на разных глубинах синхронны, что говорит о значительном вкладе в процесс переноса фильтрации и нелинейной диффузии. Предложена модель выноса на поверхность радона 222Rn, в которой коэффициент диффузии радона зависит от глубины, а скорость фильтрации постоянна.


Библиографическая ссылка

Сухоруков М.В., Спивак А.А. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛЯ РАДОНА В СВЯЗИ С ТЕКТОНИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1. – С. 94-99;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36348 (дата обращения: 16.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074